Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет

Буланов Л.В., Корзунин Л.Г., Парфенов Е.П. и др.

Уральский центр ПР и рекламы — "Марат", 2004 г.

Влияние толщины стенки кристаллизатора

Удельный вес  термосопротивления стенки кристаллизатора в указанном выше диапазоне скоростей литья — 10—19%, а в нижней части кристаллизатора — 4—8% от суммарного, соответственно. Уменьшение полезной толщины стенки кристаллизатора при разливке крупных слябов ведет к росту толщины корки на выходе из кристаллизатора с темпом 0,16 мм прироста корки на 1 мм уменьшения полезной толщины стенки кристаллизатора во всем рассматриваемом диапазоне скоростей литья (рис. 2.11 на цветной вкладке). Рост корки происходит дифференцированно с максимальным темпом на расстоянии до 0,2 м от мениска. При разливке крупных слябов в скоростном диапазоне 1—2 м/мин прирост толщины корки на выходе составит 10—20%. При более высоких скоростях, характерных для разливки тонких слябов, роль толщины стенки усиливается до 25—35% прироста толщины корки. Аналогичные, но более слабые зависимости характерны для температуры поверхности корки заготовки, отклонения которой от базового варианта в сторону снижения значений при уменьшении толщины стенки составляют 10—17% в менисковой зоне и 3—5% на выходе их кристаллизатора (рис. 2.12 на цветной вкладке). Большая часть прироста толщины корки за счет уменьшения толщины стенки кристаллизатора происходит на первой половине высоты кристаллизатора, где вероятность прорывов более высока. Таким образом, существует дилемма: возможность интенсификации роста корки за счет применения более тонких стенок кристаллизатора или обеспечение высокого ресурса стенок за счет применения более толстых стенок и увеличения количества их перестрожек. В первом случае необходимо износостойкое покрытие, во втором — альтернативой может быть многократная перестрожка стенок. На большинстве российских метком-бинатов широко применяется способ восстановления рабочих поверхностей стенок перестрожкой без нанесения износостойкого покрытия. Это не означает, что его не следует применять, однако каждый заказчик к критерию «цена-качество» подходит, исходя из своих возможностей. Следует признать, что для крупнослябовых МНЛЗ, работающих в диапазоне скоростей до 1,6—2 м/мин, применение стенок с полезной толщиной до 30 мм оправдано. Аналогичные значения полезной толщины стенок характерны и для иностранных фирм. Для тонкослябовьгх МНЛЗ следует стремиться к минимальной толщине стенки кристаллизатора, т. к. при высоких скоростях литья актуальна борьба за каждый миллиметр толщины корки, при этом износостойкое покрытие — единственный шанс повысить ресурс стенок. Влияние скорости воды в каналах охлаждения

Влияние скорости воды в каналах на толщину корки весьма ограниченно «0,1 мм прироста толщины корки при увеличении скорости воды в каналах на

1 м/с (см. рис. 2.11 на цветной вкладке). Это связано с тем обстоятельством, что доля термосопротивления конвективной теплоотдачи на поверхности канала охлаждения в диапазоне скоростей 1—5 м/мин составляет 5—10% в менисковой зоне и 2—4% в нижней части кристаллизатора от суммарного, соответственно, при этом 75—60% составляет термосопротивление  шлака.

Значения температуры поверхности корки уменьшаются на 3% в менисковой зоне и на -1% на выходе из кристаллизатора при увеличении скорости воды до 12 м/с по сравнению с базовым вариантом. При высоких скоростях этот эффект, особенно в сочетании с уменьшением толщины стенки кристаллизатора позволит дополнительно снизить температуру поверхности корки и повысить ее прочность. Для скоростного диапазона 1—2 м/мин эта мера малоэффективна. Кроме увеличения расхода охлаждающей воды с ростом скорости воды сопряжены потери напора, пропорциональные квадрату скорости. Учитывая это обстоятельство, следует отметить, что повышенные расходы воды противопоказаны для петлевых схем охлаждения кристаллизаторов.

Влияние температуры воды

в каналах стенок кристаллизатора

Имеющие место сезонные колебания температуры воды, а также разница температур воды в стенках при петлевой схеме охлаждения при литье на круп-нослябовых МНЛЗ не оказывают существенного влияния на формирование корки заготовки и температуру ее поверхности практически независимо от толщины стенки кристаллизатора (рис. 2.13, 2.14 на цветной вкладке). Уменьшение температуры охлаждающей воды на 10°С ведет к росту толщины корки на выходе на 1 мм и снижению температуры поверхности корки на 10°С. При высоких скоростях влияние этой разницы в процентном отношении выглядит более существенным, однако в целом фактор температуры в реальном диапазоне ее значений в каналах охлаждения не играет существенной роли. При петлевой схеме, когда разница температур в каналах охлаждения стенок может отличаться на 10°С при разливке на крупнослябовых МНЛЗ со скоростью до

2 м/мин  разнотолщинность корки на 1 мм при толщине на выходе -20 мм не может каким-либо образом влиять на образование прорыва. Наилучшим средством предотвращения прорывов являются измерительные комплексы типа «Термовизора» фирмы «ТЕХНОАП», которые позволяют правильно реагировать на изменяющиеся условия теплообмена на рабочих поверхностях стенок кристаллизатора, носящие во многом случайный характер посредством замедления скорости литья в момент прорыва для залечивания образовавшихся трещин. Разумеется, важную роль играет качество шлакообразующей смеси и работа механизма качания кристаллизатора. При проектировании кристаллизаторов главное внимание следует сосредоточить на выборе геометрических параметров и расходов воды, направленных на обеспечение таких тепловых условий работы стенок кристаллизаторов, при которых отсутствует кипение вблизи стенок каналов охлаждения и разупрочнение материала рабочих стенок.

2.2.   Гидравлический расчет кристаллизатора

Тепловая работа кристаллизатора во многом определяется гидравлическими процессами в системе охлаждения кристаллизатора. Потери напора, обусловленные гидравлическими сопротивлениями в системе охлаждения, равно как и неудачная схема охлаждения, могут привести к снижению давления, а следовательно — к снижению значения температуры насыщения (рис. 2.15), что способно, в свою очередь, привести к возникновению кипения в приме-нисковой зоне. Расходы воды в каналах охлаждения, а соответственно, скорости воды и их разброс определяют интенсивность теплообмена на поверхности каналов о 2.3.   Петлевая и прямоточная схемы охлаждения. Цилиндрические и щелевые каналы охлаждения

В своих проектных разработках фирма в зависимости от скоростных режимов разливки, применяет петлевую (рис. 2.16) и прямоточную схемы охлаждения кристаллизатора (рис. 2.17). В петлевой схеме прямой запиткой снизу осуществляется охлаждение одной широкой и двух узких стенок кристаллизатора, а обратной запиткой сверху — второй широкой стенки. Такая схема позволяет обеспечить более высокие расход и скорость воды на обратной запитке, компенсирующие нагрев воды в начале петли. Подача воды сверху на обратной запитке обеспечивает одинаковое давление в менисковой зоне по всему периметру кристаллизатора.

В прямоточной схеме подвод воды осуществляется сверху в четыре стенки, при этом потребный расход воды практически удваивается.

Ниже приведены результаты сравнительного расчетного исследования гидравлической работы стенок кристаллизатора для слитка сечением 170x1550 мм с цилиндрическими диаметрами 20 мм и фрезерованными прямоугольными каналами 6x20 мм для петлевой и прямоточной схем охлаждения для значений расходов, обеспечивающих уровень средних скоростей в каналах — 6—7 м/сек и 8—10 м/сек. Полезная толщина в обеих конструкциях стенок — 30 мм, расстояния между фрезерованными каналами в широких и узких стенках — 17 и 12 мм соответственно, между цилиндрическими каналами в широких и узких стенках — 20 мм. Для стенок с цилиндрическими каналами охлаждения при петлевой схеме значения расхода составили: 435 и 326 м'/час, для стенок с фрезерованными каналами — 270 и 202 м'/час. Для прямоточной схемы значения расходов, соответственно, увеличены почти вдвое.

На рис. 2.18 и 2.19 на цветной вкладке показаны распределения скоростей воды по каналам различного конструктивного исполнения, на рис. 2.20—2.22 (см. цветную вкладку) — потери напора и распределение давлений.

Скорости течения воды в цилиндрических и щелевых каналах близки по значениям, а их максимальный разброс в пределах одной стенки составляет 3,6% для щелевых, 7,6% — для цилиндрических каналов, а между широкими стенками в начале и конце петли 19 и 24%, соответственно (табл. 2.4), охлаждения и в целом определяют значения коэффициентов теплоотдачи на поверхностях каналов охлаждения (2.4)—(2.S).